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一、【科学背景】

陶瓷在一系列应用中表现出极具吸引力的特性，包括高硬度、高强度、优异的耐腐蚀性和显著的耐高温性。这些特性使陶瓷在航空航天和汽车工程、能源储存、电子和半导体等多个领域都有用武之地。然而，由于化学键较强，陶瓷在常温下本质上是脆性的，这导致了位错成核所需的高阈值应力，并阻碍了位错的产生。在极端条件下，预诱导大量的位错密度是可行的，这可使位错密度达到 10¹⁵m^-2的数量级，并有效增强陶瓷的韧性。然而，一旦这些预先诱导的位错耗尽，就很难再成核产生新的位错以实现持续变形，从而引发化学键断裂，最终导致灾难性失效。因此，陶瓷中位错成核的高阈值应力大大限制了通过位错工程策略改善塑性的潜力。因此，有几种策略旨在通过替代机制来提高陶瓷的塑性。例如通过在相干界面上进行键合转换来改善氮化硅陶瓷的压缩塑性。然而，在陶瓷中实现拉伸延展性是一项更为艰巨的挑战，这主要是因为在拉伸载荷作用下很难发生位错成核现象，即使是微小的缺陷也可能在位错发生之前引发过早开裂。

二、【创新成果】

基于以上难题，北京滚球体育 大学陈克新研究员、北京工业大学王金淑教授、香港大学黄明欣教授等人合作，在Science发表了题为“Borrowed dislocations for ductility in ceramics”的论文，提出了一种“借用错位”策略，即使用具有有序键的定制界面结构。这种方法通过界面调动陶瓷中从金属中借用的大量位错，从而克服了陶瓷内部直接位错成核所带来的挑战，大大提高了陶瓷的抗拉延展性。这种策略为提高陶瓷的拉伸延展性提供了一种方法。

研究人员利用氧化镧（La₂O₃）陶瓷与钼（Mo）金属形成有序结合界面的材料，制备了“借用位错”La₂O₃陶瓷（DB La₂O₃），通过定制有序键合的 La₂O₃-Mo 异面结构来验证这一策略。

图1 DB La₂O₃的微观结构和化学键计算© 2024 AAAS

图2 TEM观测下的室温原位拉伸试验© 2024 AAAS

图3陶瓷中的位错行为© 2024 AAAS

图4 TEM观测下DB La₂O₃试样的原位拉伸和弯曲试验© 2024 AAAS

图5位错机制的提出© 2024 AAAS

三、【科学启迪】

本研究表明，虽然 La₂O₃是一种具有六方晶体结构的陶瓷材料，传统上在室温下缺乏延展性，但是通过精心选择陶瓷-金属界面，金属在拉伸过程中产生的位错缺陷可以迁移到陶瓷中，使得 La₂O₃陶瓷具有更好的拉伸延展性，本研究为改善脆性陶瓷的性能提供了一种不同的方法。此外，研究人员还将这一策略扩展到其他陶瓷-金属体系，如 CeO₂-Mo。在具有萤石结构的 CeO₂中也观察到了广泛的位错，并因此获得了良好的拉伸延展性。

原文详情：Borrowed dislocations for ductility in ceramics(Science2024,385, 422-427)

本文由赛恩斯供稿。